Жұмсақ және қатты магнитті материалдар. Техникада қолдануы

Жұмсақ және қатты  магнитті материалдар. Техникада қолдануы.

Магниттік материалдар — магниттік қасиетіне сәйкес техникада қолданылуы әр түрлі болатын заттар (негізінен ферро- және ферримагнетиктер). Магниттік материалдардың негізгі көрсеткіштері: В магниттік қанығу индукциясы (немесе қанығу магниттелуі  ),  коэрцитивтік күші, m магнит өтімділігі, В_r қалдық магниттік индукциясы, р үлестік электр кедергісі. Коэрцитивтік күшінің шамасына байланысты магниттік материалдарды шартты түрде жұмсақ магниттік және қатты магниттік материалдар деп бөледі. Магниттік материалдар негізіндегі құрылғылар тұрақты магнит өрістерін тудыру үшін (тұрақты магниттер), магниттік энергия ағындарын шоғырландыруда (магнитожолдар), магниттік жазба үшін (магниттік таспалар, дискеттер, дискілер), электрондық және иондық шоқтарды қалыптастыруда (магниттік линзалар) берілген фазалық ығысуды, поляризация жазықтығын бұруды, АЖЖ және оптикалық ауқымдағы электромагниттік толқындарды іріктеуді (феррит фаза айналдырғыштар, циркуляторлар, сүзгілер) қамтамасыз етеді.

Қатты магнитті материалдар (Магнитнотвердые материалы) — коэрцитивтік күшінің жоғарғы мәні бар магниттік материалдар (шартты түрде 4 кА/м-ден асады). Қатты магнитті материалдардың магниттік қаттылығы (жоғары коэрцитивті күйі) магниттік анизатропия тұрақтысының жоғары мәндеріне байланысты болады және магниттік домендердің шекараларының жылжуынан немесе материал ішінде кері полярлы домендердің пайда болуына кедергі жасайтын құрылымның пайда болуынан туындайды. Қатты магнитті материалдарға әр түрлі белгілері бойынша бірнеше топтарға бөлінген материалдар жатады. Электрондық техникада солардың ішінен қатты ферриттер Be, Sr мен Со, Ғе мен Ғе-Собалқытпалары негізіндегі ұнтақтардан престелген Қатты магнитті материалдар, магниттік емес төсенішке (таспа, сым, иілгіш жөне қатаң фикілер) ұсақ ұнтақ байланыстырғышпен жалатылған өтпелі металдардың тотықтарының ұнтақтары, қатты магнитті ферриттер ұнтақтары немесе Со—Ni, Со—W, Со—Ni—Р балқытпаларының жабылғылары пайдаланылады.

Қатты магнитті материалдар  телефондарда, дыбысжазғыштарда, микрофондарда  және басқа да радиоқұрылғыларда  қолданылатын тұрақты  магниттер  жасауға қолданылады.

Альни, альниси, альнико, магнико -бұл 25% никель, 10-15% алюминий, 3-6%  мыс қалғаны темір, кобальт, кремний балқымалары. Олар соңғы он жылда электроакустикалық құрылғылар жасауда басқа қатты магнитті материалдарды ығыстырды.

Барийлі ферриттер  тұрақты  тоқ қозғаушыларында, генераторларда, акустикалық жүйелерде көп қолданылады.

 

Жұмсақ магнитті материалдар жоғары магниттік өткізгіштігімен және тар гестерезис топсасымен сипатталады. Олар әртүрлі электрөткізгіштер ретінде қолданылады. Жұмсақ магниттік материалдарға төмендегілер жатады:

Жапырақты электротехникалық болат, кремнийдің құрамында 4% ке дейін болады. Олар салыстырмалы төмен жиіліктерде қолданылады. Жоғары өткізгішті болаттар 0,1 мм қалындықпен шығарылады және импульсты трансформаторлар үшін қолданылады.

Пермаллоилар – құрамында 80 % никель, 0,5 тен 15 % 15 ға дейін молибден, марганец, хром, мыс кремний, қалғаны темір болады. Пермаллоилардың маркалары Н (никель) әрпімен басталып , қасына құрамындағы никельдің үлес мөлшері санмен жазылады. Мысалы, Н45, Н79М5 (79% никель, 5% молибден).

Пермаллоилардың магниттік  өткізгіштігі өте жоғары болады (жүз мыңға дейін). Бірақ мұндай сорттар әлсіз өрістерде жұмыс істеуге жарамды (микрафонды трансформаторлар, аз қуатты транзисторлы трансформаторлар).

Құрамында никель саны азырақ  (45-60%)  пермаллоилардың магниттік өткізігіштігі де азырақ болады (10000 ға дейін), бірақ олар жоғары өрісте жұмыс істей алады.  Мұндай сорттар телефон релелерінің өзектері, магнитті экрандар, төмен жиілікті трансформаторлар үшін қолданылады.

Ұнтақ тәрізді магнитті материалдар  радиотехникада үлкен қолданысқа ие. Олар жоғары жиілікті катушкалардың өзектерін жасауда қолданылады. Ұнтақ тәрізді магниттік материалдар жиіліктің кең диапазонында қолданылады.

Ферриттер – ұсақталған темір тотықтары мен басқа металлдардың (никель, цинк, марганец, мыс, кадмий ) қосылысынан жасалған керамикалық жұмсақ магнитті материалдар. Олар әртүрлі магниттік қасиеттерге ие және радиоаппаратура саласында кеңінен қолданылады. Құрамына байланысты ферриттердің магниттік өткізгіштігі 10 нан 4000 ға дейін болады. Жоғары электірлік кедергісінің арқасында ферриттерде құйын тәрізді тоқтарға кеткен шығыны аз болады. Сондықтан олар жоғары жиіліктерде жұмыс істейтін магнитөткізгіштер үшін маңызды материалдар болып табылады.

Ферриттер Ш-тәрізді әртүрлі  өзектер түрінде төмен жиілікті және импульсты трансформаторлар үшін шығарылады. Сақина тәрізді тороидальды формалы трансформаторлар және катушкалар үшін, цилиндрлі сырықтар дросселдер,  түзететiн индуктивтiлiктер және ферритті антенналар үшін, тік төртбұрышты формалы сырықтар ферритті антенналар үшін, ал тостаған тәрізді өзектер жоғары жиілікті катушкалар үшін қолданылады.

Тербелмелі контурларды  катушкалардың өзектерері үшін ферриттерді  қолдану олардың өлшемдерін бірнеше  есе азайтуға мүмкіндік береді.

Жоғары магнит өткізгішті ферриттер (2000-200)  тек 70-120 С температурада  жұмыс істей алады.

Диэлектрик материалдар

Диэлектрик (dielectric) — поляризацияға қабілеттілігі негізгі электрлік қасиеті болып табылатын, металлдар мен шалаөткізгіштерге қарағанда электр тогын нашар өткізетін, үлестік электр кедергісі өте үлкен (j = 10^6/10^16 Ом • м) қатты, сұйық және газ тәріздес заттар. Әрбір диэлектрик үшін диэлектрикті ойып-тесетін сыртқы электр өрісі кернеулігінің шектік мәні бар. Поляризация түріне қарай диэлектрик екі топқа бөлінеді: активті және пассивті. Активті диэлектриктерге сегнетоэлектриктер, пъезоэлектриктер мен электриктер жатады. Қалған диэлектрик пассивті деп аталады. 

Диэлектриктер – электр өткізбейтін заттар оң зарядтар мен  теріс заряттардың тең мөлшерде болып келетін молекулалардан немесе диэлектрик ішінде емін-еркін қозғала  алмайтын иондардан тұрады. Сыртқы электрлік күшткрдің әсерімен диэлектриктегі зарядтар не азғана ығысады, не өздерінің  орналасу бағытын өзгертеді. Сөйтіп диэлектриктер бейтарап денелер  болып табылады. Диэлектриктер тобына эбонит, фарфор, сияқты қатты денелер  және сұйықтармен газдар жатады.  
             Егер диэлектрикті электр өрісіне енгізсек онда бұл өрісте диэлектриктің өзі де елеулі өзгерістерге ұшырайды. Молекулалардың өлшемдерімен салыстырғанда анағұрлым үлкен қашықтықтар үшін электрондардың әселі қандай да бір нүктеде орналастырылған молекуланың ішіндегі олардың зарядтар қосындысының әсеріне эквивалентті болады. Осындай нүктені теріс зарядтың ауырлық центрі деп атайды. Осы сияқты ядролардың оң зарядтардың ауырлық центріне орналастырылған олардың зарядтар әсеріне эквивалентті болады.  
               Сыртқы электр өрісі болмаған кезде оң және теріс зарядтардың ауырлық центрі бір-біріне қатысты дәл келуі немесе ығысқан жағдайда молекула электр дипольге еквиволентті болады, сөйтіп оны «полюсті» деп атайды. Оның меншікті электрлік моменті Р-ға тең болады. Электр өрісі жоқ болғанда әр таңбалы зарядтардың ауырлық центрлері біріккен меншікті электрлік моменттерге ие болмайтын молекулалар полюссіз деп аталады. Сыртқы электр өрісінің әсерінен полярлық емес молекулалардағы зарядтарды салыстырсақ, онда оң зарядтар өріске қарсы ығысады. 

Диэлектрлік материалдар  қасиеттеріне байланысты:

• сегнето-, пьезо- және пироэлекриктер
• сегонетомагнетиктер, жартылай өткізгіштер
• пьезокомпозиты

 

Диэлектірлі материалдардың қолдану аясы өте кең. Олар электорлы  конденсаторлар, позисторлар, микрофондар. Қысым датчиктері, жиілік фильтрлары, ИҚ-сәулелерінің детекторлары, болометрлер, электрооптикалық модуляторлар ретінде  қолданыла алады.  Олар керамикадан, монокристалдардан, пленкалардан жасалынады.

Тұрақты тоқтың сызықты  электр тізбектерін есептеу әдісі

Тұрақты токты  электрлік тізбектің негізгі  заңдары

Кейде Кирхгоф ережелері  деп аталатын Кирхгофтың екі заңы – бұл

электрлік тізбектің  негізгі заңдары. Екі заңда көптеген тәжірибелер

негізінде тағайындалған.

Кирхгофтың І – заңына (тоқтар үшін Кирхгоф заңына) сәйкес электрлік

тізбектің түйініндегі  тоқтардың алгебралық қосындысы  нөлге тең:

 

яғни түйінге бағытталған  токтардың қосындысы түйіннен шыққан тоқтардың қосындысына тең. Мысалы, 2.4 – суреттегі электр тізбегінің түйіні үшін

                                           I₁+I₂+I₃= I₄+I₅

Немесе     I₁+I₂-I₃+ I₄-I₅=

Кирхгофтың ІІ – заңына (кернеулер үшін Кирхгоф заңына) сәйкес кез

келген тұйықталған контурдың ЭҚК – нің алгебралық қосындысы осы

контур элементтеріндегі кернеулердің алгебралық қосындысына тең: 

     

 

мұндағы m - контурдағы резисторлық элементтердің саны, n- ЭҚК саны.

Кез- келген электрлік тізбекте энергетикалық баланс – қуаттар балансы

сақталу қажет. Қуаттар балансы  түсінігі энергияның сақталу заңынан  шығады: электр тізбегіндегі барлық қоректендіру көздерінің қуаты осы тізбектегі қабылдағыштар қуаттарының қосындысына тең:

 

Егер ЭҚК пен токтың бағыты сәйкес келсе, онда тоқ көзі жүктемеге қуат

береді. Бұл жағдайда Ek Ik көбейтіндісін «+» таңбамен алу керек. Егер ЭҚК

пен токтың бағыты қарама-қарсы болса, онда тоқ көзі қабылдағыш

тәртібімен (мысалы, аккумулятордың зарядталу тәртібі) жұмыс жасайды. Бұл

жағдайда Ek Ik көбейтіндісін « - » таңбамен алу керек.

Қабылдағыштың қуатына тоқ көзінің ішкі кедергісінде бөлінетін қуатты

да жатқызу керек.

Потенциалдық түйіндер әдісі (ПТӘ)

Барлық түйіндердің потенциалын  анықтау үшін, нөлге тең болатын  біреуінен басқа барлық

түйіндер үшін, Кирхгофтың бірінші заңымен теңдеу жүйесін  құру қажет. Әрбір токты Омның

жалпы формуласымен жаза отырып, түйіндердің ішінен бір потенциалды  нөлге тең деп алып,

потенциалдар үшін теңдеу жүйесін аламыз. У-1 түйініндегі әрбір к үшін түйіндік потенциалдар

бойынша құрылған теңдеу былай жазылады:

 

Түйіндік потенциалдар әдісі ЭҚК-нің идеалды қорек көзінің сұлбасында неғұрлым

қарапайым ретінде машиналық талдауда, өзінің жақсы екендігін көрсеттті. Сонымен қатар, тәуелді

қорек көздері олардың бұтақтарының өткізгіштігі – шексіздікке тең, ал ол теңдеу жүйесін

шешкенде қиындық туғызады.

Бұл жүйені шешу үшін бірнеше әдістер бар: элемент әдісіне дұрыс емес жалғанған

қысқыштың біреуін жерлендіру. Сонда қысқыштың басқа жағындағы соңынан потенциал мәнін

бірден алуға болады. Бірақ, бұл әдіс сұлбада бірнеше ұқсас элементтер болса, онда

қолданылмайды.

Ал келесі жолы сұлбадан минимальды кедергіні тауып, сосын қатармен көп дұрыс емес

элементке аз кедергі қосып отырудан тұрады.

                                                

                               1-сурет. Жалпыланған z-бұтақ

Осының барлығы резистордың өткізгіштігі қатысатын басқа матрицаның элементтерімен

салыстырғанда, матрицаның оң жақ бөлігінде үлкен сандардың пайда болуына әкеледі. Жай сұлбаларда резисторлар номиналы көбіне килоом болып келеді. Сондықтан, матрицаның оң жақ бөлігіндегі ток мәндерімен салыстырғанда өткізгіштігі өте кішкентай болып көрінеді. Мұндай матрицаны шешу кезінде есептеу қателігі минимальды болу үшін, матрицаның диагональдық элементтері үлкен мәнге ие болу керек. Бұл – сызықтық теңдеулерді шешуде, елеулі қателікке алып келетін. Сонымен қатар, тағы бір нұсқасы ток көзіне таңбалары әр түрлі мәндері бір кедергіні жасанды жолмен қойғанда болады. Физикалық көзқараспен қарағанда теріс кедергілер болмайды, ал математика және жалпы жүйе жағынан қарағанда – кедергілер қосындысы нөлге тең. Мәселені бұлай шешу кезінде теңдеу санын 1-ге үлкейтуге алып келетін артық түйін құруға тура келеді. Сонымен бірге, шыққан теңдеу жүйесінің шешімінен кейін, сұлбаны қайта түрлендіруге тура келеді.

                    2.Контурлық токтар әдісі (КТӘ)

Кирхгофтың екінші заңы бойынша құрылған теңдеудің әрбәр контурында бағыты контурды

айналу бағытына келетін ток бар екенін қабылдап, Кирхгофтың екінші заңындағы теңдеу жазбасы сияқты, сондай таңба ережелерімен және сондай теңдеулер санын құру керек.

Жазба матрицалық қалыпта мына түрде болады:

 

 

Мұндағы -контурлық тоқтардың матрица-бағанасы,– контурлық кедергілердің

квадраттық матрицасы, ) – контурлық ЭҚК-нің матрица-бағанасы.   матрицасының әрбір диагональдық элементі I контурына кірген бұтақтардың кешенді кедергілерінің қосындысына

тең; әрбір диогоналдық емес    элементі i және j контурлары үшін, ортақ бұтақтарының

кедергілеріне тең. Контурлық ЭҚК матрицаның   элементі i-контурының ЭҚК-нің алгебралық қосындысына тең.

Электр өрісінің энергиясы

Электрлік өріс энергиясы - бұл энергия тығыздығы өріс өлшемдерімен анықталады және мына формуламен анықталады:

Мұндағы  E — электр өрісінің  кернеулігі, D — электр өрісі индукциясы.

Электр өрісінің энергиясы.Зарядталған  конденсатор энергиясын саңылау  қоршауларының арасындағы электр өрісін сипаттайтын өлшемдер арқылы өрнектейді. Мысал ретінде жазық конденсаторды алайық. Конденсатор энергиясын емептеу формуласы: